CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 11.2021
192
KHOA H
ỌC
ĐÁNH GIÁ QUY TRÌNH KHÍ HÓA RÁC THẢI SINH HOẠT THÀNH SYNGAS PHỤC VỤ SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG
ASSESSMENT OF THE GASING PROCESS OF DAILY WASTE TO SYNGAS FOR POWER PRODUCTION Đoàn Công Khang1, Nguyễn Văn Khá1, Vương Thị Lan Anh2,* TÓM TẮT Bài báo cáo trình bày một cuộc điều tra thử nghiệm về công nghệ sản xuấtnăng lượng điện từ nguồn nguyên liệu có sẵn là chất thải rắn, cụ thể l
à công
nghệ mới gần đây ở Việt Nam bắt đầu áp dụng và biết đến nhiều h
ơn là công
nghệ khí hóa rác thải (Syngas). Bài báo cáo sẽ hướng tới các mục tiêu chung c
ủa
công nghệ sản xuất và trình bày rõ các ưu điểm của công nghệ khí hóa, đ
ưa ra cơ
sở lý thuyết để thực hiện quá trình sản xuất và gi
thực hiện từ công đoạn chuẩn bị nguyên liệu, quy trình s
ản xuất điện đến công
đoạn xử lý triệt để các nguồn phát thải từ quá trình sản xuất. Từ đó đưa ra nh
ững
hạn chế và các điểm cần cải thiện từ công nghệ. Từ khóa: Chất thải rắn, syngas. ABSTRACT
This report presents a pilot investigation into the technology of electric
energy production from available solid waste materials; Specifically, a new
technology that has recently begun
to be applied and known in Vietnam is waste
gasification technology (Syngas). The report will aim at the common goals of
production technology and clearly present the advantages of gasification
technology, provide the theoretical basis for implementing the
production
process and explain in detail the actual stages of production. from the
preparation of raw materials, the process of electricity production to the stage of
thoroughly treating the emission sources from the production process. From
there, the limitations and points need to be improved from technology. Keywords: Solid waste, syngas. 1Lớp ĐH Hóa Thực phẩm 01- K13, Khoa Công nghệ Hóa, Trư
ờng Đại học Công
nghiệp Hà Nội 2 Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: lananh.vuong2211@gmail.com 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ở Việt Nam khối lượng CTRSH phát sinh tại các đô thị phụ thuộc vào quy mô dân số, tốc độ đô thị hóa, công nghiệp hóa của đô thị và đang có xu thế ngày càng tăng. Tổng khối lượng CTRSH phát sinh tại khu vực đô thị trong cả nước là 35.624 tấn/ngày. Như vậy, Việt Nam cũng có khối lượng rác thải rất lớn cần được xử lý, bên cạnh đó đất nước chúng ta cũng là một quốc gia đang phát triển nên nhu cầu về sử dụng năng lượng là rất lớn vì thế nên công nghệ thu hồi năng lượng từ rác thải là một hướng đi không chỉ giải quyết được vấn đề rác thải mà còn đem lại các lợi ích về kinh tế nhất định. Khí hóa rác thải thành năng lượng là một công nghệ chuyển đổi rác thải thành khí tổng hợp (syngas). Loại khí này có tính chất đặc biệt có thể dùng sản xuất ra nhiều loại năng lượng đem lại hiệu quả kinh tế nhất định. Khí hóa chất thải được ưu tiên hơn so với đốt vì nó cung cấp sản phẩm khí tổng hợp có thể được sử dụng theo nhiều cách khác với khí đốt nóng. Công nghệ này cung cấp khí tổng hợp chất lượng đồng nhất từ chất thải dư không đồng nhất và phức tạp. Công nghệ có thể cung cấp các sản phẩm đa phương thức như nhiệt, điện, làm mát, nhiên liệu khí và lỏng cũng như hóa chất. Bên cạnh đó, khí hóa cung cấp tính linh hoạt của nguyên liệu đầu vào với các chất lượng khác nhau. Hiện tại công nghệ này đã và đang được áp dụng ở rất nhiều nước trên thế giới như Anh, Mỹ, Nam Phi,… Với tình thế chung hiện tại thì các nước này đều gặp vấn đề với rác thải hay vấn đề trong sử dụng năng lượng có nguồn gốc từ nguyên liệu hóa thạch đang ngày một khan hiếm. Ở Việt Nam thì công nghệ khí hóa chỉ có một số ít nhà máy mới thực nghiệm và đi vào hoạt động. Công nghệ đang được áp dụng thí điểm hiện nay là công nghệ điện rác MBTGRE được áp dụng tại nhà máy điện rác ở KCN Đồng Văn (Hà Nam) và tại Hưng Yên. 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 2.1. Cơ sở lý thuyết Hình 1. Tóm tắt quá trình khí hóa
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 11.2021 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
193
- Khí hóa là một quá trình trong đó một vật liệu rắn có chứa carbon, chẳng hạn như than hoặc sinh khối, được chuyển đổi thành khí Syngas. Đây là quá trình nhiệt hóa nhưng không phải là đốt rác. 'Syngas' này chủ yếu chứa hydro và carbon monoxide. Quá trình biến đổi của bộ phận khí hóa gồm các quá trình lần lượt như sau: Nhiệt phân => Phá vỡ sản phẩm nhiệt phân => Phản ứng => Cung cấp nhiệt và khí => Quá trình hình thành khí Syngas. - Phân loại lò khí hóa hiện có trên thế giới: + Khí hóa tầng sôi loại 1 (Updraft fixed bed - UFB). + Khí hóa tầng sôi loại 2 (Downdraft fixed bed - DFB). + Khí hóa dòng chảy (Entrained flow - EF). + Khí hóa tầng sôi sủi bọt (Bubbling fluidised bed - BFB). + Khí hóa tầng sôi tuần hoàn (Circulating fluidised bed - CFB). + Khí hóa tầng sôi kép (Dual fluidised bed - Dual FB). + Khí hóa Plasma. Đặc điểm khác nhau giữa các loại lò khí hóa: + Cách thức đưa rác thải vào trong lò khí hóa. + Cách sử dụng oxy không khí và hơi nước. + Phạm vi nhiệt độ và áp suất vận hành. + Phương thức gia nhiệt cho khí hóa. 2.2. Công nghệ nghiên cứu Hình 2. Sơ đồ quy trình công nghệ Rác thải được thu gom và vận chuyển về kho lưu trữ. Đầu tiên hỗn hợp rác thải được đưa vào công đoạn tiền xử lý chúng xẽ được làm bung tơi bởi tổ hợp máy xé bao, sau đó hỗn hợp rác thải tiếp tục đi qua hệ thống sàng lồng tách các mùn hữu cơ vô cơ; rồi rác tiếp tục được đưa vào hệ thống máy cắt để làm đồng đều kích thước, cùng với đó đồng thời lọai bỏ các kim loại nhỏ bằng từ tính. Bộ phận tách nylon tiếp theo giúp loại bỏ được phần lớn các túi nilong trong rác thải, các loại túi sau khi được tách có thể đem đi tái chế hoặc phối trộn sơ bã rác. Để tách các dạng mô mềm, tinh bột và nước ngậm thì rác thải được đưa vào hệ thống máy ép, thành phần bùn sau khi ép được đem phối trộn với than carbon để làm phân bón. Còn lại phần sơ bã rác được đưa vào hệ thống sấy khô và thực hiện quá trình khí hóa trong hệ thống khí hóa nhiên liệu. Sau quá trình khí hóa than carbon được đem phối trộn làm phân bón, còn lại khí tổng hợp (syngas) được chuyền vào hệ thống làm sạch syngas và được đưa vào hệ thống cyclon túi chứa để duy trì áp suất ổn định. Sau công nghệ khí syngas sẽ làm nhiên liệu cho máy phát điện và làm nhiên liệu đốt. Còn lượng khí thải sau quá trình sấy sẽ được xử lý bởi tổ hợp tháp hấp thụ, hấp phụ rồi mới thải ra ngoài. 2.3. Tác động môi trường và phương pháp xử lý của quy trình công nghệ - Khí thải: + Nguồn phát sinh: khu tập kết đầu nguồn, quá trình tác động cơ học trên dây chuyền phân loại, ống xả của động cơ đốt trong. + Phương pháp xử lý: bố trí hệ thống thu khí từ các nguồn phát sinh lớn dến nơi xử lý và sử dụng lắp đặt hệ thống xử lý khí thải trực tiếp đối với các thiết bị vừa và nhỏ. Phương pháp xử lý chủ yếu sử dụng là phương pháp hấp thụ và hấp phụ. - Nước thải: + Nguồn phát sinh: khu tập kết đầu nguồn và khu xử lý sinh học. + Phương pháp xử lý: Nước thải từ khu tập kết sẽ được đưa vào hệ thống thu nước và chuyển về khu xử lý sinh học biogas. Nước sau xử lý sinh học thì được tái sử dụng để rửa khí syngas trong thiết bị làm sạch khí sau khí hóa. - Chất thải rắn: + Nguồn phát sinh: lò khí hóa thải ra than carbon và tro xỉ từ quá trình đốt viên than dạng tổ ong. + Phương pháp xử lý: Than carbon có thể được sử dụng là nguyên liệu phối trộn để sản xuất phân bón hoặc được ép thành viên dạng tổ ong để đem đốt bởi tính chất có nhiệt lượng cao. Đối với phần tro sau quá trình sử dụng nhiệt lượng thì được đem đi ép làm gạch xỉ để phục vụ cho các công trình không kiên cố. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Sản phẩm công nghệ và tính hiệu quả kinh tế, xã hội môi trường - Sản phẩm công nghệ khảo sát: Bảng 1. Kết quả khí tổng hợp sinh ra của 1000kg rác STT Thành phần Chỉ số Tỷ lệ (%) Khối lượng hữu ích (kg) Giá trị năng lượng (m3 methane & syngas) 1 Đất cát đá, bụi tro gạch 18 180 chất tạo phản ứng khí hóa 2 Hữu cơ mô mềm và nước 41 410 2.1 Hữu cơ mô mềm 45 185,5 27,675 2.2 Nước 55 226 -
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 11.2021
194
KHOA H
ỌC
3 Bã xelluylo, giẻ, giấy, nylon/ độ ẩm 40% 41 410 3.1 Độ ẩm phải giảm 20 82 - 3.2 Sơ bã rác hỗn hợp 66 270,6 811,8 3.3 Than carbon 14 57,4 4 Tổng 100 1000 839,475 (Kết quả khảo sát thăm dò thực tế từ quy trình nghiên cứu của nhóm nghiên cứu) - Hiệu quả kinh tế xã hội và môi trường: Công nghệ là một giải pháp mới giúp tái tạo các loại rác thải thành năng lượng giúp các nhà quản lý tạo ra cơ chế quản lý CTR và sản phẩm điện rác cũng có nguồn thu ổn định. Trong quá trình hoạt động toàn bộ công nghệ không thải ra lượng chất thải lớn và hoàn toàn có thể xử lý bằng các công nghệ phổ biến không áp đặt quá lớn; không tốn quỹ đất xây dựng hay kém chọn nhiều thành phần rác thải => đây là công nghệ phù hợp với điều kiện ở Việt Nam 3.2. Tổng kết quy trình công nghệ - Các thông số thành phần ảnh hướng đến quá trình khí hóa đa nhiên liệu: + Tỷ lệ H2/CO. + Lượng chất trơ. + Lượng metan và các hydrocacbon cao. + Chất độc xúc tác như các thành phần lưu huỳnh, nitơ và clo. + Áp suất vận hành. Bảng 2. Thành phần tham khảo điển hình của các loại khí khô trong quá trình khí hóa với lợi thiết bị khí hóa tầng sôi Hợp chất CO (vol%) CO2 (vol%) H2 (vol%) CH4 (vol%) N2 (vol%) LHV (MJ/Nm3)
Hàm lượng hắc ín (g/Nm3) Giá trị
40 - 60 10 - 15 15 - 20 0 - 1 0 - 1 10 - 12 < 0,1 (Kết quả nhận xét từ quy trình nghiên cứu khoa học của nhóm nghiên cứu) - Kết quả phân tích chất lượng không khí đạt chuẩn: Bảng 3. Kết quả phân tích chất lượng không khí đạt chuẩn của các thành phần TT
Thông số Đơn vị Nồng độ (C) của mẫu QCVN 61-MT:2016/BTNMT K
ết quả
đo th
ực
t
ế so với
QCVN 61
tính theo t
ỷ
lệ % Đat/ Không đạt Phi
ếu
kết quả N
ồng độ
tính theo % O
2
Nồng độ (C)
Nồng độ tối đa
(K
y
= 0,8)
Ngày quan trắc: 13/7/2019, 14/7/2019, 15/7/2019 Phiếu kết quả: 19.L60.DVA605, 19.L60.DVA606, 19.L60.DVA607 1 Tổng
Dioxin/Furan,
PCDD/PCDF-TEQ ngTED/Nm3 Số 605 0,022
0,6 0,48 4,6% Đạt Số 606 0,014
0,6 0,48 2,9% Đạt Số 607 0,014
0,6 0,48 2,9% Đạt 2 Bụi (PM) Mg/Nm3 Số 605 2,14 100 80 2,7% Đạt Số 606 4,15 100 80 5,2% Đạt Số 607 2,91 100 80 3,6% Đạt 3 HCl Số 605 <0,9 50 40 <2,3 Đạt Số 606 <0,9 50 40 <2,3 Đạt Số 607 <0,9 50 40 <2,3 Đạt 4 Cadimi (Cd)
Số 605 <0,030
0,16 0,128 <23,4%
Đạt Số 606 <0,030
0,16 0,128 <23,4%
Đạt Số 607 <0,030
0,16 0,128 <23,4%
Đạt 5 Chì (Pb) Số 605 <0,050
1,2 0,96 <5,2%
Đạt Số 606 <0,050
1,2 0,96 <5,2%
Đạt Số 607 <0,050
1,2 0,96 <5,2%
Đạt 6 Thủy Ngân (Hg) Số 605 0,009
0,2 0,16 5,6% Đạt Số 606 0,007
0,2 0,16 4,4% Đạt Số 607 0,010
0,2 0,16 6,3% Đạt 7 CO Số 605 8,94 250 200 4,5% Đạt Số 606 3,78 250 200 1,9% Đạt Số 607 3,21 250 200 1,6% Đạt 8 NOx Số 605 25,67
500 400 6,4% Đạt Số 606 23,49
500 400 5,9% Đạt Số 607 21,66
500 400 5,4% Đạt 9 SO2 Số 605 3,31 250 200 1,7% Đạt Số 606 3,34 250 200 1,7% Đạt Số 607 3,35 250 200 1,7% Đạt 4. KẾT LUẬN Từ quá trình nghiên cứu đánh giá quy trình khí hóa rác thải sinh hoạt thành Syngas phục vụ sản xuất điện năng nhóm nghiên cứu thu được một số kết quả như sau:
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 11.2021 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
195
- Thu thập tìm hiểu rõ công nghệ: hiện trạng nhu cầu áp dụng công nghệ, cơ sở lý thuyết của quy trình công nghệ, tính ứng dụng đối với rác thải Việt Nam; - Nghiên cứu rõ quy trình công nghệ từ công đoạn dầu đến sản phẩm đầu ra và công nghệ xử lý các loại chất thải; - Đánh giá được hiệu quả môi trường của công nghệ từ các nguồn thải thải ra; - Đánh giá sản phẩm đạt được từ quá trình khảo nghiệm thực tế với 1000kg rác thải khi quy trình được thực hiện.
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2020. Báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia (15, 45). [2]. Chhay L., Reyad M.A.H., Suy R., Islam M.R., M.M. Mian, 2018. Municipal solid waste generation in China: influencing factor analysis and multi-model forecasting. Journal of Material Cycles and Waste Management. [3]. Department of Economic and Social Affairs, DESA, 2015. World Population Prospects: The 2015 Revision, Key Findings and Advance Tables. United Nations. [4]. Gu B., Jiang S., Wang H., Wang Z., Jia R., Yang J., He S., R. Cheng, 2016. Characterization, quantification and management of China’s municipal solid waste in spatiotemporal distribution: A review. Waste Management. [5]. Hiệp hội Nhựa Việt Nam, 2019. Báo cáo hoạt động sản xuất kinh doanh ngành nhựa. [6]. International Pittsburgh Coal Conference, 2013. State of the Gasification Industry - the Updated Worldwide Gasification Database. Germany [7] IEA Bioenergy, 2020. Emerging Gasification Technologies for Waste & Biomass (10, 26, 15, 33), Australia.